基于游標(biāo)效應(yīng)的增敏型光纖法布里-珀羅干涉儀溫度傳感器?

楊易 徐賁 劉亞銘 李萍 王東寧 趙春柳

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院,杭州 310018)

基于游標(biāo)效應(yīng)的增敏型光纖法布里-珀羅干涉儀溫度傳感器?

楊易 徐賁?劉亞銘 李萍 王東寧 趙春柳

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院,杭州 310018)

(2016年11月9日收到;2016年12月21日收到修改稿)

本文介紹了一種高靈敏度光纖溫度傳感器.該傳感器由一小段毛細(xì)管熔接于單模光纖和一段大模場(chǎng)光纖之間而構(gòu)成串聯(lián)的兩個(gè)法布里-珀羅干涉儀.由于倆干涉儀具有相近的自由光譜區(qū),因而它們的疊加光譜會(huì)產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,利用游標(biāo)效應(yīng)解調(diào),該傳感器的溫度靈敏度可從單一空氣腔法布里-珀羅干涉儀的0.71 pm/?C提高到179.30 pm/?C.該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊(＜1 mm)且靈敏度高,具有良好的應(yīng)用前景.

光纖傳感,法布里-珀羅干涉儀,游標(biāo)效應(yīng),溫度

1 引 言

光纖溫度傳感器具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、易分布和長(zhǎng)距離傳感測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)而倍受用戶(hù)青睞.各種光纖溫度傳感器得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,它們的工作原理各異,如基于光纖布拉格光柵(FBG)、長(zhǎng)周期光纖光柵以及各類(lèi)光纖干涉儀等［1?4].其中光纖法布里-珀羅干涉儀(FPI)光纖溫度傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、穩(wěn)定性好以及較高的空間分辨率而尤其受到關(guān)注［5].制備光纖FPI的方法包括纖內(nèi)鍍膜、FBG對(duì)、激光鉆孔、化學(xué)腐蝕、聚焦離子束,以及利用兩根光纖熔接處折射率的不匹配等［6].目前,纖內(nèi)FPI正是利用空氣與固態(tài)纖芯的折射率不匹配而構(gòu)成,因其制備簡(jiǎn)單而被應(yīng)用于應(yīng)力、折射率和溫度等的測(cè)量［7?9].對(duì)纖內(nèi)FPI,腔長(zhǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致其諧振波長(zhǎng)的漂移,通過(guò)高分辨率的光譜分析儀檢測(cè)諧振波長(zhǎng)的漂移,即可精確測(cè)量諧振腔長(zhǎng)度的變化或引起該變化的相關(guān)物理參數(shù),如應(yīng)力、溫度等［10?16].

游標(biāo)效應(yīng)最初應(yīng)用于提高長(zhǎng)度測(cè)量的分辨率(如游標(biāo)卡尺),其工作原理在于巧妙利用主尺與游標(biāo)的微小比例尺差異.2009年,Dai［17]和Jin等［18]分別提出基于串聯(lián)光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的游標(biāo)效應(yīng)光學(xué)傳感器,利用波長(zhǎng)解調(diào)法實(shí)現(xiàn)折射率的超高靈敏度測(cè)量.2014年,Zhang等［19]提出利用空心光子晶體光纖(HC-PCF)的大模場(chǎng)特性將兩段HC-PCF嵌入單模光纖(SMF)中構(gòu)成級(jí)聯(lián)FPI結(jié)構(gòu)的游標(biāo)效應(yīng)光纖傳感器(兩個(gè)FPI相距數(shù)厘米),應(yīng)用于應(yīng)力和磁場(chǎng)的測(cè)量,較之單一FPI,其靈敏度提高了約29倍.2015年,Shao等［20]提出串聯(lián)Sagnac干涉儀的游標(biāo)效應(yīng)光纖溫度傳感器,較之單一Sagnac干涉儀,其靈敏度提高了約9倍,但整個(gè)傳感器尺寸較大(單個(gè)Sagnac干涉環(huán)長(zhǎng)度約2 m),難以實(shí)現(xiàn)高空間分辨的溫度測(cè)量.

本文介紹一種基于游標(biāo)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊且靈敏度高的光纖溫度傳感器.該傳感器是在SMF末端依次熔接數(shù)百微米的一小段毛細(xì)管(capillary,TSP050150)和大模場(chǎng)光纖(LMAF,LMAGDF-10/130-M)而構(gòu)成級(jí)聯(lián)的兩個(gè)FPI.由于兩干涉儀諧振腔的光程近似相等,從而發(fā)生光學(xué)游標(biāo)效應(yīng).利用此特性實(shí)現(xiàn)了溫度的高靈敏度測(cè)量(約179.30 pm/?C),較之單一FPI,其靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí).

2 傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1給出了基于游標(biāo)效應(yīng)的雙FPI光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖.在SMF的末端依次熔接一小段毛細(xì)管和大模場(chǎng)光纖,由于固態(tài)纖芯和空氣的折射率不匹配,因此構(gòu)成三個(gè)反射面,對(duì)應(yīng)圖中的M1,M2和M3.這三個(gè)反射面進(jìn)一步組成了級(jí)聯(lián)的兩個(gè)FPI,對(duì)應(yīng)諧振腔C1和C2,其腔長(zhǎng)分別用L1和L2來(lái)表示.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)級(jí)聯(lián)FPI結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器示意圖Fig.1.(color online)Schematic of the proposed device with cascaded FPIs.

對(duì)于由M1和M2組成的空氣腔FPI,其反射光譜為典型的雙光束干涉.設(shè)M1和M2的反射率分別為R1,R2,則從左側(cè)SMF入射的光經(jīng)兩個(gè)反射面后再次返回到SMF中的光強(qiáng)可表示為

同理,對(duì)于由M2和M3構(gòu)成的玻璃腔FPI,腔內(nèi)介質(zhì)為光纖,相應(yīng)的單一玻璃腔FPI的溫度靈敏度ST- fi ber可表示為

由M1,M2和M3構(gòu)成三光束干涉器件,設(shè)M3的反射率為R3,則左側(cè)入射光經(jīng)三個(gè)反射面后總的反射光強(qiáng)可表示為［24]

圖2(a)給出了根據(jù)(4)式模擬計(jì)算得到的三光束反射光譜,各參數(shù)分別設(shè)置為:n1=1,n2=1.44,L1=332.29 μm,L2=219.22 μm,R1=R2=R3=0.18,k1=0.5,k2=0.6.諧振腔C1和C2的自由光譜區(qū)FSR1(≈3.65 nm)和FSR2(≈3.83 nm)相近,但不相等.圖2(a)顯示了三光束干涉的疊加光譜,其自由光譜區(qū)約為3.49 nm.同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)諧振腔反射光最強(qiáng)的波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)疊加光譜中最大值,反之出現(xiàn)最小值,即對(duì)應(yīng)疊加光譜包絡(luò)(envelope)的最大值和最小值,該包絡(luò)曲線(xiàn)的自由光譜區(qū)較單一FPI的要大得多,即所謂的游標(biāo)效應(yīng).進(jìn)一步,疊加光譜中極小值點(diǎn)組成的周期性包絡(luò)函數(shù)可根據(jù)?Irr/?λ=0推導(dǎo)得到

式中,D表示包絡(luò)函數(shù)的直流部分,m表示交流部分的振幅,s1和s2分別表示諧振腔C1和C2的光程.由上文對(duì)空氣腔和玻璃腔單獨(dú)分析可知,空氣腔FSR1隨溫度變化非常小,較之玻璃腔的FSR2隨溫度變化量可忽略不計(jì)(即s1可看作常數(shù),s2隨溫度變化而變化).由(5)式可根據(jù)ST-envelope=?λ/?T 與FSR=λ2/2nL推導(dǎo)得包絡(luò)曲線(xiàn)波谷中心波長(zhǎng)的溫度靈敏度ST-envelope為

與單一玻璃腔FPI干涉儀相比,其溫度靈敏度放大倍數(shù)P為

圖2 (網(wǎng)刊彩色)模擬計(jì)算得到的(a)級(jí)聯(lián)FPI,(b)單一空氣腔FPI和(c)單一玻璃腔FPI的溫度響應(yīng)特性Fig.2.(color online)Simulated temperature responses of FPIs based on(a)cascaded cavities,(b)single aircavity,and(c)glass-cavity.

圖2給出了模擬溫度升高100?C三光束干涉游標(biāo)效應(yīng)以及單一FPI的溫度響應(yīng)特性.圖2(a)顯示,溫度變化導(dǎo)致的絕對(duì)光譜漂移量很小(＜100 pm),但各諧振波長(zhǎng)的光強(qiáng)變化很明顯,對(duì)光譜中極小值組成的包絡(luò)進(jìn)行三角函數(shù)擬合,發(fā)現(xiàn)包絡(luò)曲線(xiàn)發(fā)生了明顯的漂移,向短波長(zhǎng)方向漂移了約18.54 nm,溫度靈敏度約為185.4 pm/?C.圖2(b)和圖2(c)分別給出了單一空氣腔和玻璃腔FPI的光譜變化,溫度變化100?C引起的光譜漂移量分別為0.88 pm和0.98 nm,對(duì)應(yīng)溫度靈敏度分別為0.008 pm/?C和9.8 pm/?C.因此,模擬計(jì)算結(jié)果證實(shí)了通過(guò)合理設(shè)置串聯(lián)FPI的FSR,應(yīng)用游標(biāo)效應(yīng)解調(diào)是提高溫度傳感測(cè)量靈敏度的有效方法.

3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果分析

圖3為光纖溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.來(lái)自寬帶光源(波長(zhǎng)范圍1450—1650 nm)的輸入光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器到達(dá)傳感器.傳感器置于微型精密可調(diào)恒溫控制系統(tǒng)中,其溫度控制精確度達(dá)±0.1?C.實(shí)驗(yàn)中光纖器件的溫度從15?C變化至80?C,每次步進(jìn)5?C.傳感器的反射光經(jīng)光纖環(huán)形器輸入給光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6370D),實(shí)時(shí)記錄傳感器的干涉光譜.實(shí)驗(yàn)中光譜分析儀的分辨率設(shè)置為0.02 nm.圖3內(nèi)插圖為光纖傳感器件的顯微鏡照片,SMF末端的毛細(xì)管內(nèi)徑為50μm、外徑為150μm,長(zhǎng)度約為332.29μm,大模場(chǎng)光纖的纖芯直徑約為11μm,長(zhǎng)度約為219.22μm.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)光纖溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3.(color online)Experimental setup for temperature sensing.

圖4給出了與毛細(xì)管相連的大模場(chǎng)光纖未切割時(shí)的反射光譜溫度特性,即由毛細(xì)管構(gòu)成的單一空氣腔FPI的反射光譜溫度特性.圖4(a)顯示了該干涉儀從15?C升溫至80?C變化過(guò)程中的反射光譜(即典型的雙光束干涉光譜).可以看出,隨著溫度的升高,其反射光譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向發(fā)生了微小的漂移.圖4(a)內(nèi)插圖給出了15?C和80?C時(shí)干涉譜中1550 nm波長(zhǎng)附近典型波谷的漂移情況,溫度變化65?C導(dǎo)致的光譜總漂移量約為46 pm.圖4(b)給出了升溫和降溫兩個(gè)過(guò)程中該波谷的中心波長(zhǎng)漂移情況,利用線(xiàn)性函數(shù)擬合升溫測(cè)量所得數(shù)據(jù),相關(guān)系數(shù)R2=0.9920,意味著波谷中心波長(zhǎng)漂移量與溫度之間存在較好的線(xiàn)性關(guān)系,其斜率表征該波谷的溫度靈敏度約為0.71 pm/?C,與上文分析的單一空氣腔FPI溫度靈敏度較低的結(jié)論相符.同時(shí),對(duì)比升降溫過(guò)程中同一溫度下波谷的中心波長(zhǎng),可看出該傳感頭具有良好的重復(fù)性.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)單一空氣腔FPI的反射光譜溫度響應(yīng)特性 (a)不同溫度時(shí)的反射光譜;(b)諧振波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系Fig.4.(color online)Response of single air-cavity FPI to temperature:(a)Re fl ection spectra at di ff erent temperature;(b)relationship between resonate wavelength and temperature.

圖5給出了大模場(chǎng)光纖切割后(如圖3中插圖所示)的反射光譜溫度特性,即空氣腔FPI與玻璃腔FPI串聯(lián)形成三光束干涉光譜的溫度特性.圖5(a)顯示串聯(lián)FPI器件在不同溫度下的反射光譜.很明顯,該光譜由高頻條紋構(gòu)成,且光譜隨著溫度的升高向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移.追蹤1550 nm附近的諧振波谷,發(fā)現(xiàn)溫度升高65?C,其中心波長(zhǎng)共漂移了約163 pm.圖5(b)給出了升溫和降溫兩個(gè)過(guò)程中該波谷的中心波長(zhǎng)漂移情況.應(yīng)用最小二乘法線(xiàn)性擬合,相關(guān)系數(shù)R2=0.9680,表明諧振波谷中心波長(zhǎng)與溫度之間存在良好的線(xiàn)性關(guān)系,其斜率表征溫度靈敏度,約為2.51 pm/?C.升降溫的測(cè)量數(shù)據(jù)表征該器件的干涉光譜具有良好的重復(fù)性.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)串聯(lián)FPI的反射光譜溫度響應(yīng)特性 (a)不同溫度的反射光譜;(b)諧振波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系Fig.5.(color online)Response of cascaded FPIs to temperature:(a)Re fl ection spectra at di ff erent temperature;(b)relationship between resonate wavelength and temperature.

根據(jù)上文的游標(biāo)效應(yīng)分析,對(duì)圖5(a)中測(cè)得的不同溫度下原始三光束疊加光譜的極小值進(jìn)行函數(shù)擬合,得到一系列包絡(luò)曲線(xiàn),如圖6(a)所示,其中插圖給出了25?C時(shí)的疊加光譜極小值擬合情況.可看出,原始光譜的極小值可用三角函數(shù)擬合,相關(guān)系數(shù)R2=0.9510.隨著溫度的升高,包絡(luò)曲線(xiàn)向短波長(zhǎng)方向發(fā)生明顯漂移.溫度變化65?C導(dǎo)致的總漂移量大于9 nm.圖6(b)給出了追跡1550 nm附近的包絡(luò)曲線(xiàn)波谷在不同溫度下的中心波長(zhǎng)隨溫度的漂移情況.應(yīng)用最小二乘法線(xiàn)性擬合,獲得相關(guān)系數(shù)R2=0.9970,表明該波谷中心波長(zhǎng)與溫度之間存在良好的線(xiàn)性關(guān)系.線(xiàn)性擬合函數(shù)的斜率表征游標(biāo)效應(yīng)解調(diào)的溫度靈敏度,其值約為179.30 pm/?C,與上文理論分析和模擬計(jì)算結(jié)果符合.對(duì)比升降溫測(cè)量的數(shù)據(jù)可看出該器件應(yīng)用包絡(luò)解調(diào)具有良好的重復(fù)性.該溫度靈敏度較之單一空氣腔FPI所得靈敏度提高了250余倍［25],較之疊加光譜直接波長(zhǎng)解調(diào)的靈敏度提高了70余倍,同時(shí)該靈敏度也遠(yuǎn)高于曾報(bào)道的某些光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x( ＜ 15 pm/?C)［26,27]、FBG( ＜ 10 pm/?C)［27,28]、長(zhǎng)周期光纖光柵(＜12 pm/?C)等［29]溫度傳感器.

最后,我們將傳感器置于高溫爐測(cè)試了其高溫響應(yīng)特性.該高溫爐(STG-40-17)最高溫可達(dá)1100?C,溫控不確定度為±5?C.圖7(a)給出了三種不同溫度(100?C,350?C和550?C)下測(cè)量得到的典型干涉譜,以及100—550?C范圍內(nèi)不同溫度干涉譜的包絡(luò)擬合曲線(xiàn).很明顯,隨著溫度的升高,包絡(luò)曲線(xiàn)的波谷向短波長(zhǎng)方向發(fā)生了漂移,其總漂移量超過(guò)80 nm.受限于光譜儀的波長(zhǎng)掃描范圍,更高溫度的響應(yīng)暫未測(cè)量.圖7(b)給出了追蹤波谷中心波長(zhǎng)漂移量與溫度(含升溫和降溫過(guò)程)的關(guān)系.對(duì)比升溫和降溫的測(cè)量數(shù)據(jù),可知傳感器在此溫度范圍內(nèi)具有良好的重復(fù)性.很明顯,波谷中心波長(zhǎng)與溫度之間不再存在嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系,這可能與空氣腔內(nèi)氣體在高溫下發(fā)生熱膨脹導(dǎo)致腔長(zhǎng)發(fā)生明顯變化有關(guān).應(yīng)用二次多項(xiàng)式擬合,得相關(guān)系數(shù)R2=0.9978.因此,該傳感器經(jīng)定標(biāo)后仍適用于100—550?C范圍內(nèi)的溫度測(cè)量,具有較好的高溫響應(yīng)特性.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(a)不同溫度下干涉譜的包絡(luò)擬合;(b)擬合曲線(xiàn)波谷中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系Fig.6.(color online)(a)Sinusoidal fi tting results of the lower envelope curves in the re fl ection spectra;(b)calculated relative wavelength shift versus temperature.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)(a)典型高溫下傳感器的干涉譜及其包絡(luò)擬合;(b)擬合曲線(xiàn)波谷中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系Fig.7.(color online)(a)The typical re fl ection spectra and sinusoidal fi tting results of the lower envelope curves at di ff erent temperatures;(b)calculated relative wavelength shift versus temperature.

4 結(jié) 論

本文介紹了一種結(jié)構(gòu)緊湊、制備簡(jiǎn)單的探針?lè)瓷湫凸饫w溫度傳感器.該傳感器由一小段毛細(xì)管和大模場(chǎng)光纖依次熔接于SMF末端而構(gòu)成串聯(lián)FPI結(jié)構(gòu).精確控制毛細(xì)管和大模場(chǎng)直徑光纖的長(zhǎng)度,使得倆干涉儀具有相近的自由光譜區(qū),因而疊加光譜產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng).本文首先理論分析了利用游標(biāo)效應(yīng)提高傳感器測(cè)量靈敏度的工作原理,然后進(jìn)行了模擬對(duì)比單一空氣腔或玻璃腔FPI反射光譜直接波長(zhǎng)解調(diào)與疊加光譜應(yīng)用游標(biāo)效應(yīng)解調(diào)的溫度靈敏度,最后實(shí)驗(yàn)測(cè)試了傳感器的溫度響應(yīng)特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,利用游標(biāo)效應(yīng)解調(diào)是提高傳感器靈敏度的一種有效方式,利用該方法獲得的溫度靈敏度較之單一空氣腔FPI提高了25倍多,較之疊加光譜直接波長(zhǎng)解調(diào)提高了70余倍.該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊(＜1 mm),靈敏度高,可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等溫度檢測(cè)領(lǐng)域.

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Sensitivity-enhanced temperature sensor with fi ber optic Fabry-Perot interferometer based on vernier e ff ect?

Yang YiXu Ben?Liu Ya-Ming Li Ping Wang Dong-Ning Zhao Chun-Liu

(College of Optical and Electronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

9 November 2016;revised manuscript

21 December 2016)

Fiber-optic temperature sensors have gained much attention owing to their intrinsic features of light weight,immunity to electromagnetic interference,and capability for distributed measurement.Especially,temperature sensors based on Fabry-Perot interferometers(FPIs)are attractive owing to their advantages of compact size and convenient re fl ection measurement.However,due to the low thermal expansion or/and thermo-optic coefficient of fi ber,the temperature sensitivities of these sensors are normally low(～10 pm/?C or even lower).In order to improve the temperature sensitivity,a device with dual cascaded FPIs is proposed and demonstrated in this paper,which works on vernier e ff ect and exhibits a much higher temperature sensitivity.The device is fabricated by splicing a short segment of large mode area(LMA) fi ber to a short segment of capillary tube fused with a section of single-mode fi ber to form an extrinsic Fabry-Perot interferometer with a glass cavity cascaded to an intrinsic FPI with a narrow air cavity.By setting the lengths of capillary tube and LMA fi ber to allow similar free spectral ranges to be obtained,and superimposing of the re fl ection spectra of the two FPIs,the vernier e ff ect can be generated.Firstly,the principle of temperature sensing based on vernier e ff ect of this device is analyzed and simulated theoretically,and it is found that the temperature sensitivity can be improved signi fi cantly by using vernier e ff ect compared with that of a single FPI with an air-cavity or glass cavity by directly tracing resonant dips/peaks.Then,the temperature responses of the FPI with single air-cavity and dual cascaded cavities are measured,respectively.Experimental results match well with the theoretical analysis carried out.The temperature sensitivity of the proposed sensor is improved greatly from 0.71 pm/?C for a single FPI sensor with an air-cavity to 179.30 pm/?C by employing the vernier e ff ect.Additionally,the sensor exhibits good repeatability in a temperature range of 100–500?C.The proposed sensor has the advantages of compact size(＜ 1 mm in dimension)and high sensitivity,which makes it promising for temperature sensing in a variety of industries,such as food inspection,pharmacy,oil/gas exploration,environment,and high-voltage power systems.

fi ber optic sensors,Fabry-Perot interferometer,vernier e ff ect,temperature

10.7498/aps.66.094205

?國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61405184)和浙江省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):LY17F050010)資助的課題.

?通信作者.E-mail:xuben@cjlu.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61405184)and the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(Grant No.LY17F050010).

?Corresponding author.E-mail:xuben@cjlu.edu.cn